Analyse comparative de l'échangeur de chaleur en plaque et de l'échangeur de chaleur en coque et en tube

Analyse comparative des échangeurs de chaleur à plaque et des échangeurs de chaleur à coque et à tube

1. Conception structurelle et mécanismes de transfert de chaleur

1.1 Échangeurs de chaleur à plaques

Un échangeur de chaleur de plaque se compose d'une pile de plaques métalliques ondulées, avec des joints scellant les espaces entre les plaques adjacentes pour former des canaux de flux séparés.Deux fluides de travail circulent contre courant ou en courant croisé à travers des canaux alternatifsIls échangent de la chaleur via les plaques métalliques.

Mécanisme de transfert de chaleur:

• La chaleur du fluide chaud est d'abord transférée à la plaque par convection, puis conduite à travers la plaque à haute conductivité thermique (par exemple, l'acier inoxydable, avec une conductivité thermique de 45 W/m·K)),et finalement convecté vers le fluide froid.

• La surface de la plaque corrugée induit des turbulences à des nombres de Reynolds faibles (Re = 50×200), ce qui améliore considérablement l'efficacité de transfert de chaleur.cette turbulence augmente également la chute de pression due à une plus grande résistance du fluide.

1.2 Échangeurs de chaleur à coquille et à tube

Un échangeur de chaleur à coque et à tube comprend une coque cylindrique, un faisceau de tubes (fixé ou flottant via des feuilles de tubes) et des têtes. Un fluide circule à travers les tubes (côté du tube),pendant que l'autre circule autour des tubes dans la coquille (côté de la coquille)Les configurations courantes incluent les conceptions de feuille de tube fixe, de tête flottante et de tube U.

Mécanisme de transfert de chaleur:

• La chaleur du fluide chaud (du côté du tube ou de la coquille) est convectée vers le mur du tube, conduite à travers le tube (par exemple, tubes de cuivre avec une conductivité thermique de 375 W/m·K)),et ensuite convecté vers le fluide froid sur le côté opposé.

• Les baffles sont installés dans la coque pour rediriger le fluide du côté de la coque, étendant les voies de flux et améliorant la turbulence, améliorant ainsi l'efficacité du transfert de chaleur.

2. Caractéristiques de performance

3Les avantages, les inconvénients et les applications

3.1 Échangeurs de chaleur à plaques

Les avantages:

• Efficacité élevéeLe flux turbulent à faibles nombres de Reynolds et l'opération contre courant produisent un facteur de correction de différence de température moyenne logarithmique (LMTD) de ~ 0.95Il est également possible d'obtenir des échantillons de détecteurs de chaleur, avec des différences de température de fin aussi faibles que < 1 ° C (contre ~ 5 ° C pour les conceptions de coquille et de tube).

• Conception compacte: 2×5 fois plus grande surface de transfert de chaleur par unité de volume; occupe 1/5×1/8 de l'espace des unités de coque et de tube pour une capacité équivalente.

• La flexibilitéFacile à échelonner en ajoutant/en supprimant des plaques; adaptable aux changements de processus (par exemple, reconfiguration des chemins de flux).

• Résultats économiques: Léger (épaisseur de plaque: 0,4 × 0,8 mm contre 2,0 × 2,5 mm pour les tubes), 40% à 60% moins cher que les unités de coque et de tube du même matériau et de la même zone; produisible en série via l'estampage.

• Faible perte de chaleur: La surface exposée minimale réduit la dissipation de chaleur, éliminant le besoin d'isolation.

Les défauts:

• Tolérance limitée à la pression et à la température (inadapté pour > 3 MPa ou températures extrêmes).

• Les joints sont sujets à la dégradation dans des environnements corrosifs ou à haute température.

• Une chute de pression plus élevée peut nécessiter des pompes plus puissantes.

Applications:

Idéal pour les scénarios à pression basse à moyenne, à surface de chauffage réduite (par exemple, CVC, transformation alimentaire, systèmes d'eau chaude domestiques et industries nécessitant un nettoyage fréquent comme les produits pharmaceutiques).

3.2 Échangeurs de chaleur à coquille et à tube

Les avantages:

• Résistance à la haute pression/températureConvient pour les conditions difficiles (jusqu'à 30 MPa, 400°C), ce qui le rend idéal pour les processus industriels à haute pression.

• Résilience: Boucle cylindrique et faisceaux de tubes rigides résistent à des pulsations élevées et à de grands débits; compatible avec des fluides à haute viscosité ou chargés de particules (avec une conception de baffle appropriée).

• Longue durée de vie: La construction en acier inoxydable (ou tubes en cuivre) offre une durabilité (jusqu'à 20 ans) dans des environnements corrosifs.

Les défauts:

• Efficacité de transfert de chaleur inférieure: les facteurs de correction LMTD sont souvent < 0,9 en raison de modèles de flux croisés; plus grande empreinte et poids plus élevé.

• Inflexibilité: Difficile à modifier la zone de transfert de chaleur après l'installation; coût initial plus élevé pour une capacité équivalente.

Applications:

Preferred for high-pressure/high-temperature industrial processes (e.g., pétrochimie, production d'énergie, exploitation minière) and large-scale heat exchange (e.g., chauffage centralisé,systèmes de refroidissement lourds).

Résumé

Les échangeurs de chaleur à plaque excellent dans l'efficacité, la compacité et la flexibilité pour les applications à pression basse à moyenne, tandis que les échangeurs de chaleur à coque et à tube dominent dans les applications à haute pression, à haute température et à haute température.et des scénarios industriels à grande échelleLa sélection dépend des conditions d'exploitation, des besoins de maintenance et des exigences d'évolutivité.